L'échantillon utilisé pour la mesure. Au milieu, du haut jusqu'en bas, est la bande de platine. Les électrons se déplacent à travers cette bande et produisent un courant de spin en direction de l'isolant sous-jacent. Les spins des électrons qui atteignent la frontière assurent que les spins dans l'isolant deviennent excités. Deux thermomètres en forme de zigzag en platine et constantan mesurent la différence de température à proximité de la limite. Crédit :Recherche Fondamentale sur la Matière (FOM)
(Phys.org) — Chercheurs de la Fondation FOM, l'Université de Groningue, L'université de technologie de Delft et l'université de Tohoku au Japon ont conçu un minuscule élément de refroidissement qui utilise des ondes de spin pour transporter la chaleur dans des isolants électriques. L'élément de refroidissement pourrait être utilisé pour dissiper la chaleur dans les composants électriques de plus en plus petits des puces informatiques. Les chercheurs ont publié leur conception en ligne le 7 juillet 2014 dans Lettres d'examen physique .
Le fonctionnement de l'élément de refroidissement est basé sur le spin des électrons. Le spin est une propriété fondamentale d'un électron qui correspond à son moment magnétique (la force et la direction de son champ magnétique). Bien que les physiciens aient déjà utilisé le spin à des fins de refroidissement, c'est la première fois qu'ils réussissent cela dans des matériaux isolants.
Transport de chaleur à travers un nanopilier
Dans des recherches antérieures, les scientifiques ont laissé un courant d'électrons traverser les métaux magnétiques. Dans un champ magnétique, les spins de ces électrons s'aligneront dans la même direction, à savoir parallèlement à l'aimantation. Les chercheurs ont envoyé les électrons à travers un pilier composé de deux couches magnétiques (avec une couche non magnétique entre les deux). Le pilier utilisé était minuscule – environ mille fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain.
Un électron qui commence dans la couche inférieure aligne son spin sur la direction de magnétisation dans cette couche. Par la suite, l'électron s'écoule vers la couche supérieure. Si la direction d'aimantation y est la même que dans la couche inférieure alors le spin est toujours orienté parallèlement à l'aimantation. Les électrons avec une direction de spin parallèle transportent plus de chaleur que les électrons avec une direction de spin opposée. Donc dans ce cas, les électrons assurent le transport d'une grande quantité de chaleur à travers tout le pilier. Si les électrons, cependant, rencontrer une aimantation en sens inverse dans la couche supérieure, le transport de chaleur est supprimé. En utilisant ces connaissances, les chercheurs ont réussi à créer une différence de température mesurable entre les deux côtés du pilier.
Faire tourner les vagues
Cette méthode ne fonctionne pas dans un isolant électrique - un matériau qui ne conduit pas facilement les électrons. Néanmoins, les chercheurs ont maintenant trouvé une méthode de refroidissement qui fonctionne également dans les matériaux isolants. Dans la nouvelle recherche, ils ont démontré que les spins à la frontière entre un métal non magnétique et un isolant magnétique provoquent des ondes de spin qui transportent la chaleur vers ou depuis le matériau.
Les chercheurs ont utilisé un isolant de 200 nanomètres d'épaisseur en grenat d'yttrium-fer (un minéral) recouvert d'une couche de platine de 20 sur 200 micromètres. Les électrons peuvent facilement traverser le platine conducteur, mais lorsqu'ils atteignent le grenat isolant, ils ne peuvent pas aller plus loin. Néanmoins, le spin des électrons est transféré :le moment magnétique de l'électron influence le moment magnétique (et donc le spin) des électrons dans l'isolant qui sont à la frontière entre les deux matériaux. Par couplage magnétique, ce changement de spin est ensuite transféré aux électrons qui sont situés plus loin de la frontière. De cette manière, une vague de changements de spin semble se dérouler à travers le matériau. L'onde de spin transfère également de la chaleur vers ou depuis la frontière. Dépendant à la fois de la direction du spin et de l'aimantation dans le minéral, la frontière va donc se refroidir ou se réchauffer.
Thermomètres
Les chercheurs ont placé de petites, thermomètres très sensibles à quelques micromètres de la frontière et les ont utilisés pour détecter les différences de température pendant que les électrons traversaient la bande de platine. Les physiciens ont ensuite comparé leurs mesures avec la théorie mentionnée ci-dessus. Les différences de température, seulement 0,25 millicelsius en taille, semblent confirmer la théorie.
Cette recherche a été cofinancée par la Fondation FOM, NanoLab NL, JSPS, la Deutsche Forschungsgemeinschaft, EU-FET Grant InSpin 612759 et le Zernike Institute for Advanced Materials.
